雙層玻璃幕墻荷載效應分析

管 繼 綱

(中車置業(太原)有限公司，山西 太原　030002)

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雙層玻璃幕墻荷載效應分析

管 繼 綱

(中車置業(太原)有限公司，山西 太原030002)

介紹了雙層玻璃幕墻的類型，分析了雙層玻璃幕墻內、外層玻璃所受風荷載的效應，闡述了雙層玻璃幕墻的荷載計算方法，指出雙層玻璃幕墻具有良好的隔熱、隔聲、通風性能。

雙層玻璃幕墻，風荷載，風壓，抗震計算

0　引言

隨著科技的發展，玻璃幕墻在建筑中的應用也逐漸增多，尤其是既有建筑進行玻璃幕墻改造的工程案例越來越多。新建建筑在進行安裝玻璃幕墻前均進行了相應荷載效應計算，而既有建筑在進行玻璃幕墻改造時較少對玻璃幕墻的荷載效應進行分析。由于受篇幅限制，本文僅對雙層玻璃幕墻的荷載效應進行分析。

1　雙層玻璃幕墻概況

雙層玻璃幕墻由于具有較好的通風性能、節能效果、熱通道效果，因此在玻璃幕墻實際應用中雙層玻璃幕墻使用量最廣。雙層玻璃幕墻是由內外兩層立面玻璃構造而成，內外玻璃構造間存在一定距離的間隙，形成一個室內外空氣緩沖層，從而使得雙層玻璃幕墻具有良好的隔熱、隔聲效果。雙層玻璃幕墻的外層玻璃構造層由明框、隱框、點支式或可開啟式扇窗連接而成；內層玻璃構造層由明框、隱框、可開啟式扇窗或檢修通道的門窗連接而成。

2　雙層玻璃幕墻的分類

2.1外循環玻璃幕墻

外循環玻璃幕墻是玻璃幕墻外部玻璃上下部設置進風口，在其上部設置排風口，而內層玻璃采用中空型玻璃，并且內層玻璃可設置成開啟的門或窗。外循環玻璃幕墻完全不需要機械設備進行操控，采用自然通風和太陽輻射原理將下部風通過上排風口排到幕墻外，采用自然通風和太陽能輻射可降低能源消耗和機械維修費用。采用這種外循環玻璃幕墻可起到冬暖夏涼的作用，具體構造見圖1。

2.2內循環玻璃幕墻

1)內循環玻璃幕墻的最外層玻璃采用中空玻璃，并且中空玻璃采用絕熱材料，內部形成封閉空間。而內循環玻璃幕墻內層玻璃制作成可開啟式門窗。整個玻璃幕墻采用機械式通風，空氣從下部進風口進入幕墻夾層中，從上部排風口排出，從而保證幕墻內空氣流動。

圖1　外循環玻璃幕墻構造圖

2)采用內循環式玻璃幕墻時進入室內的空氣為進風口進入室內，因此進入的空氣溫度應和室內溫度一致，可在進風口處安裝加熱或制冷設備對進風口空氣進行調溫。由于內循環玻璃幕墻需要采用機械設備進行調溫、遮陽、機械百葉窗等機械設施，因此建造成本和使用成本都將增加，并且需要較高的技術要求。

2.3綜合式內外循環玻璃幕墻

綜合式內外循環玻璃幕墻具有內循環和外循環兩種玻璃幕墻的特點，可以適應外部天氣變化和溫度調整，具有較高的適用性。采用綜合式內外循環玻璃幕墻可兼顧冬夏季節的交替，減少對能源和機械設施的依賴性，具有明顯的節能效果。

綜合式內外循環玻璃幕墻的通道一般只作為風道進行使用，通道寬度一般為100 mm～300 mm，如幕墻有清洗和維修要求時通道寬度一般為500 mm～900 mm。

3　雙層玻璃幕墻的特點

雙層玻璃幕墻的主要特點是具有較好的保溫隔熱效果，并且具有合理的采光設施，可根據用戶的需求對光線進行調節，同時具有優越的降噪效果，為使用者提供舒適的工作和生活環境，但是采用雙層玻璃幕墻也具有一些缺點，如：1)采用雙層玻璃幕墻的工程造價是單層玻璃幕墻的2倍；2)夏季陽光強烈時玻璃幕墻夾層內溫度過高，并且當夾層內空間較小、外層玻璃遮陽效果較差時夾層內溫度往往高于室外溫度，并且由于雙層玻璃幕墻的外層玻璃無法打開，不能實現自然通風，最終導致室內溫度過高；3)采用雙層玻璃幕墻時清掃難度和費用也高于單層玻璃幕墻。

4　雙層玻璃幕墻的風荷載特征

相關研究表明，玻璃幕墻的設計風荷載對3 s風速進行設計。風在進風口進入玻璃幕墻夾層，由于進風口的阻力作用和進風口與排風口的距離差距使得出風口的風壓也有較大差別，因此通常情況下3 s內風從進風口進入并不能從排風口排出，導致內層玻璃幕墻受到風壓作用而受力，但是內層玻璃幕墻的風壓是外層玻璃幕墻的70%～80%，背風時內層玻璃幕墻的吸力壓力是外層玻璃的60%～70%。大量試驗表明，通過對玻璃幕墻內風洞進行采樣分析得到，當試驗時間為15 s時外層玻璃幕墻的內側玻璃所受風壓和內層玻璃幕墻的外側玻璃一致。若將雙層玻璃幕墻外部的通風口都開啟時，內層玻璃所受風壓和通風口關閉情況下外層玻璃的風壓荷載基本一致，因此若對內層玻璃幕墻的外側玻璃進行風荷載設計時還應進行吸力作用下的風荷載試驗，最后通過分析處理進行設計。

4.1風荷載標準值

對玻璃幕墻進行風荷載設計時根據下式進行計算：

Wk=βgzμsμzWo。

其中，Wk為風荷載標準值，N/m2；βgz為標高z處的陣風系數；μs為體型系數；μz為風荷載沿建筑高度變化系數；Wo為基本風壓，N/m2。

1)風荷載的基本風壓應以空曠地面10 m以上位置統計近50年平均最大風速為風壓值。2)風荷載沿建筑高度變化系數是指風速隨著高度的增加而增加，當氣壓場不變時風速隨著高度的不同而變化主要取決于地面的粗糙度和溫度影響。通常300 m～500 m高空的風速不隨地面的粗糙度而發生變化，此高度為梯度風高度。3)體型系數是建筑物表面風作用下的實際壓力與來流風壓力比值，表明建筑物表面的分壓力分布規律，體型系數主要和建筑物的高度、寬度和周圍地面粗糙度有關。

4.2雙層玻璃幕墻風壓取值

由于風速的時間變化，并且風速隨著空間的不同也產生變化，同時根據相關研究表明風壓由動態風壓和靜態風壓組成。其中動態風壓是由陣風產生，靜態風壓是由大規模的空氣流動產生。雙層玻璃幕墻的外層玻璃幕墻由于風脈沖而產生“防浪效應”，減小越過防波堤的脈沖。

其中防波堤可劃分為兩個子區域：Ω1和Ω2。兩個子區域通過重疊帶銜接。子區域中Ω1是由幕墻和墻體的近場組合而成，運動時由Reynolds方程控制，在近壁區的運動以壁面函數理論控制。并且由于防波堤產生的“防浪效應”使得外層風速減小，導致內外風壓差別較大。

外層玻璃幕墻所承受的風荷載也是由動態和靜態風壓形成，而內層玻璃幕墻承受的風荷載是由靜態風壓形成，并且內層玻璃幕墻的靜態風壓和外層玻璃幕墻的靜態風壓相同，由于外層玻璃幕墻的“防浪效應”使得內層玻璃幕墻所受動荷載壓力降低。

雙層玻璃幕墻中的內側玻璃幕墻與單層玻璃幕墻類似，都只有一個受風面，因此雙層玻璃幕墻內側玻璃幕墻的風壓取值可參照單層玻璃幕墻。但是在實際使用中由于雙層玻璃幕墻具有外側玻璃幕墻因此內墻風壓取值時又有別于單層玻璃幕墻，因此又不能完全采用單層玻璃幕墻的風壓值應用到內側玻璃幕墻。因為單層玻璃幕墻進行風壓計算時通常需要考慮到結構體型系數、陣風荷載因子和陣風系數等，而內側玻璃幕墻則不需考慮結構體型系數等因素。

我國現行規范對于陣風系數的判斷有兩種方式，一種為經驗判斷，采用平均時距為1 s～2 s的放大系數，另一種根據風壓脈動系數進行計算。

雙層玻璃幕墻和單層玻璃幕墻的區別在于雙層玻璃幕墻的內外玻璃均受到風荷載效應，因此雙層玻璃幕墻的風荷載情況較單層玻璃幕墻復雜的多，但是我國目前還沒有相關規范對雙層玻璃幕墻的風壓取值進行規定，因此對雙層玻璃幕墻的風荷載分布等進行研究具有重大意義。

5　雙層玻璃幕墻荷載和作用要求

1)對玻璃幕墻進行設計時，可按照《建筑結構荷載規范》進行風荷載和其他荷載效應組合進行計算。

2)玻璃幕墻中使用的原材料可按《玻璃幕墻工程技術規范》進行確定。

3)雙層玻璃幕墻的抗震計算應采用底部剪力法，垂直和平行于玻璃幕墻的地震力不用考慮。

6　結語

在對雙層玻璃幕墻進行抗震計算和驗算時，為保證玻璃幕墻的安全可靠性，進行設計時應考慮幕墻所受的各種荷載效應組合，提高玻璃幕墻的結構穩定性和安全可靠性。

[1]蔣立林.我國雙層玻璃幕墻的分類和研究現狀[J].廣東建材,2007(7):8-9.

[2]王強,黃義龍,曹芹.雙層玻璃幕墻節能效果實驗研究[J].新型建筑材料,2006(7):70-72.

[3]張芹.環保節能型雙層玻璃幕墻[J].上海建材,2005(5):38-39.

[4]張芹.新一代環保節能型雙層玻璃幕墻[J].上海建材,2004(1):17-19.

[5]盧達強.通風雙層玻璃幕墻的結構設計探討[J].廣西城鎮建設,2010(8):92-95.

[6]任乃鑫,楊寧.北方地區雙層玻璃幕墻技術淺析[J].沈陽建筑大學學報(社會科學版),2008(2):138-140.

The load effect analysis of double deck glass curtain wall

Guan Jigang

(ChinaChariotRealEstate(Taiyuan)LimitedCompany,Taiyuan030002,China)

This paper introduced the types of double glass curtain wall, analyzed the wind load effect of inner and outer glass double glass curtain wall, elaborated the load calculation method of double glass curtain wall, pointed out that the double glass curtain wall had good heat insulation, sound insulation, ventilation performance.

double layer glass curtain wall, wind load, wind pressure, seismic calculation

1009-6825(2016)21-0048-02

2016-05-17

管繼綱(1978- )，男，工程師，一級注冊結構工程師

TU312.1

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